LED节能照明光源驱动电路设计

2017-02-17中芯国际集成电路制造天津有限公司

电子世界 2017年2期

关键词：稳压二极管滤波

中芯国际集成电路制造（天津）有限公司赵明

LED节能照明光源驱动电路设计

中芯国际集成电路制造（天津）有限公司赵明

LED节能照明光源以其工作稳定、高效、环保、节能等优点，成为一种常用的绿色光源，应用广泛。本文设计了一套照明用的LED节能灯光源，能够和现在常用的日光灯兼容，输入220V的交流电，自带驱动电源，达到其最佳的工作状态。

LED节能照明光源；驱动电路；电路设计

1 LED驱动电路设计方案确定

LED电源驱动是把电源供应转换为特定的电压电流用来驱动LED发光的电压转换器，考虑到LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，在应用过程中就需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念[1]。

根据LED光源的特性、驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容、散热等问题，在设计的过程中就要注意LED驱动电路设计，选择适当的电路，合适的芯片和电子元器件，用来实现恒流驱动，要达到这些目的宜选用开关电源。开关电源被誉为高效节能电源，具有效率高、体积小、重量轻、应用广泛的优点，已经成为稳压电源的主流产品。

选用开关电源，其电路比较复杂，其基本构成大致分为五部分：①输入整流滤波部分：包括从交流到输入整流滤波器的电路。②功率开关管及高频变压器。③控制电路部分（PWM调制器），控制电路产生脉冲调制信号，其占空比受反馈电路影响。④输出整流滤波部分。⑤反馈电路。除此之外，还需增加偏置电路、保护电路。其中，PWM调制器为开关电源的核心[2]。

2 LED驱动电路的分析

本设计我所使用的是开关电源（Switching Mode Power Supply，SMPS）为核心的LED驱动电路。其基本工作流程图如图1所示：

图1 开关电源电路模块图

2.1 开关电源PWM调制器部分

本设计使用的开关电源型号的63813，部分电路如图2所示：

图2 LED驱动电路电源开关部分电路

其中：1管脚接地；2管脚接的是光耦合器的反馈信号，从输出端取一个降压，经过光耦形成反馈信号，反馈信号经过一个由RC组成的一个滤波回路，其目的是使输出的反馈信号得到平滑的电压；一般取：

其中R为负载阻抗，其阻值大小为R3=33Ω，T为输入信号周期（0.02S），可得C ≥ 500nF，原则上电容值取的越大，输出电压越平滑，其纹波值越小，但是，随着电容容量的增大，其体积也随着增大，考虑到电路要安装LED日光灯中，实际取C6=500nF；3管脚接的是一个电阻R2=75Ω，其目的是为63813提供一个恒定的电流，改变电阻阻值将改变PWM的频率；4管脚是一个电流传感端，其阙值电压VFB=3.3V，并联两个电阻的目的是为了限流，使该端的电压达到阙值使芯片停止输出，实现过流保护，两个电阻的阻值为：R6= R7=1Ω；5管脚的作用是为了63813提供内部电压VDD=10V，所接的是高压变压器，作用是将通过场效应管SSW4N60A的300V斩波变换10V，为63813提供工作电压；6管脚是PWM脉冲输出端，接驱动功率开关，控制脉冲的输出，同时输出端接一个稳压二极管D7，其规格为10V，起稳定电压的作用，同时并联一个电阻R5，其阻值R5=33Ω，其目的是限制电流，防止通过GATE端的电流I0大于20mA。而图中稳压管D5是保证芯片两端的电压只有在VD5≤ 17V的时候，和稳压管VD8相互配合，保证63813的输入电压VDD在10V左右的范围内，保证芯片不被烧毁。

2.2 输入滤波整流部分

输入滤波整流分为两个部分，第一部分为：LC滤波电路和桥式整流电路组成。其电路如图3所示。

图3 LED驱动电路输入滤波整流电路

由电路图可知其作用是将220V交流输入经过C1高频滤波和电感L1，使输入的正弦波频率变的单一，起到过滤尖峰脉冲作用，得到的频率单一的正弦波再经过整流桥D1整流，使其输出大约为300V的直流电压。

F1为熔断电阻器（Fusible Resistor），用于低压电源的保险装置。用可熔断电阻器代替保险管的优点是它在熔断的时候不会产生电火花或烟雾，既安全又不造成干扰。熔断电阻器的功率一般为0.25～3W，阻值从零点几欧姆到几十欧姆，在此处我选择的是RFU=0.25Ω。

输入滤波整流电路是由高频滤波电容器C1与电感L1以及桥式整流器组成的，经过桥式整流后输出的电压变为（U0为输入电压）。其中L1= 200uH/630V。220V交流电先经过LC回路后，得到的电压再经过桥式整流电路，使交流电变换为直流电。因为是全波整流，输出的电压U1=。其中整流桥是由4只整流管构成的，本设计中所选取的是1N4007型1A/1000V硅整流管。这样就使交流电压经过全波整流之后变成脉动直流电压。

输入滤波整流部分的第二部分电路如图4所示：

图4 LED驱动电路输入滤波整流电路

这部分电路的作用是将整流后的电压再经过电解电容C2滤波，二极管D2、D3、D4和电解电容C3以及电阻R1来为电源开关芯片提供一个10V的启动电压。D2、D3、D4也是1N4007型1A/1000V硅整流管，也称整流二极管。接3个整流二极管的目的就是为了让输出的电压永远为正值或者是负值，也就是变成直流电。使从U1输出地电压经过C2滤波，再经过3个二极管，滤去剩余的交流电。最后再加一个电容C3是起到滤波、平滑电压的作用。得到300V的直流电后，要经过一个R1=1MΩ的电阻，这个电阻的起到的是分压，而电容C4则是为了提供补偿电压。R1的一端和开关电源63813的VDD端相连接，给63813提供一个10V的启动电压，使芯片可以正常的工作。而电容C4的作用，前期是进行充电作用，当芯片两端的电压低于启动电压的时候，电容C4就开始放电，使芯片两端的电压升高，达到启动电压10V，保证芯片的运行。这个时候稳压管D5用来限制电流和保护芯片63813，不被大的电流烧毁。

2.3 功率开关及高频变压器

功率开关及高频电压器电路如图5所示。

图5 功率开关及高频电压电路

如图5所示，该部分电路的重点就是场效应管SSW4N60A（MOSFET），也叫做MOSFET功率开关管。对于单片开关电源或开关稳压器而言，功率开关管集成在芯片内部，使用脉宽调制（PWM）器构成的电源开关，就必须选择功率开关管。开关电源中使用的功率开关管主要有3种类型:BJT、MOSFET和IGBT。考虑到功率开光管的导通压降和开关速度与额定电压的关系，在满足额定电压为实际工作电压1.2～1.5倍的条件下，应尽量选择低压功率开关管。本设计选择的MOSFET功率开关管，用作同步整流。其损耗主要有两种：导通损耗、开关损耗。导通损耗是MOSFET在完全导通的时漏-源通态电阻Ron上的损耗。开关损耗是MOSFET在交替导通与截止时的功率损耗。此外还有栅极损耗，即由于MOSFET栅极电容充、放电而产生的损耗，但它出现在栅极电阻或驱动电路上。

本设计中所选取的MOSFET是N沟道耗尽型，其结构如图6所示。

图6 N沟道耗尽型MOSFET

其中g：栅极，d：漏极，s：源极。其工作原理在栅源电压为零时即当UGS=0时，即形成沟道，在正的vDS作用下，也有较大的漏极电流iD由漏极流向源极。如果所加的栅源电压vGS为负，则使沟道中感应负电荷减少，从而使漏极电流减小。能使多数载流子流出沟道，因此“耗尽”了载流子，是管子转向截止。其特点是：在vGS＞0时，由于绝缘层的存在，并不会产生PN结的正向电流，而是在沟道中感应出更多的负电荷。在vGS作用下，iD将具有更大的数值。只要加上正向电压vGS，就有电流iD。如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压。这种N沟道耗尽型MOSFET可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流。

用脉冲控制Q1（供应场效应管）对300V直流进行斩波，得到的斩波电流经过高压变压器进行降压，为芯片63813的启动电压VDD=10V。变压器的规格确定：

再求导线的直径：

由此，电磁线圈的规格、参数就可以得知。

功率开关及高频电压电流的工作过程：当MOSEF的栅源电压为零时即当UGS=0时，即形成沟道，在正的vGS为正作用下，也有较大的漏极电流iD由漏极流向源极。此时就开始导电，对300V直流电进行斩波。利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，利用通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源。输出的电压为方波脉冲波（类似于正弦波）。之后再经过一个高频电压器T1进行降压，使电压将为10V的脉冲波形，控制63813脉宽调制器，脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，用此来控制功率开光管的通、断状态，进而调节输出电压的高低达到稳压的目的。

变压器的副边加了一个10V的稳压管D8和一个限流电阻R4。加稳压二极管是为了让输入芯片63213的电压达到其所要求的启动电压，保护芯片作用。串联一个限流电阻是因为稳压二极管的端电压有一定范围，稳压电路中的限流电阻与稳压二极管是串联连接，它可以起到分压作用，当电压偏大的时候，不至于使加在稳压二极管两端的电压值过大。所以就起到限制了流过稳压电路的电流不至于过大的作用，从而保护了稳压二极管不至于毁坏。而D9则是快速恢复二极管，当二极管用做高频整流等时，要求反向恢复时间很短，此时就需要快速恢复二极管。

2.4 输出整流及反馈电路部分

其电路如图7所示：

图7 输出整流及反馈电路部分

输出部分工作过程为：斩波后得到的300V直流电，再经过输出滤波电容C5（C5是一个电解电容器，选用电解电容的目的：在电源电路中，整流电路将交流变成脉动的直流，而在整流电路之后接入一个较大容量地电解电容，利用其充放电特性，使整流后地脉动直流电压变成相对比较稳定地直流电压。电解电容的阻值大小为），滤波后得到一个高压的正弦交流电。再并联一个大电阻，起到降低电压的目的，降压之后电流流过两个并联的电阻R8、R9（）。使LED-端的电压将为204V，这时LED＋端的电压为300V，导致了LED的两端出现了96V的压降，这96V的电压就是提供LED光源正常工作时所需的额定电压。LED节能灯光源的规格为电压为2V，电流为50mA。其中是6个为一组，相互并联。一共是46组，再串联到一起，需要提供的工作电压时，算上损失的功率，应该提供100V左右的电压。

电流传输比试光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，他等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。有公式：

在光耦反馈式开关电源经常采用线性光耦合器，因为线性光耦合器的CTR — IF特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号的时候，其交流电流传输比很接近直流电流传输比CTR值，因此它适合传输模拟电压或电流信号，能使输出与输入之间呈线性关系。其选取原则为：（1）光耦合器的电流传输比（CTR）的允许范围是50%～200%。（2）推荐采用线性光耦合器件。

其工作过程为：光电耦合器的1端和电容C5相连，3端和LED-端相连，并且在3端串联一个电阻R0，目的是起到分压的作用，使1和3端出现一个压降，当有电流通过，让发光器工作，受光器在接受光线之后就产生光电流，从输出端流出。流出的电流经过C6、R3组成的RC回路。RC回路的作用，一是为了对感性器件在电流瞬变时的自感电动势进行钳位，二是抑制电路中因dV / dt对器件所引起的冲击，在感性负载中，开关器件关断的瞬间，如果此时感性负载的磁通不为零，根据愣次定律便会产生一个自感电动势，对外界放磁场储能，一般都采用RC吸收回路，将这部份能量以热能的方式消耗掉。之后的电压进入63813芯片的3管脚反馈输入端，根据反馈回来的电压来提供PWM调节信息，控制占空比，使输出稳定，来保障LED的正常稳定的工作。

3 LED驱动方案的工作过程

LED驱动电路的部分电路的功能及作用在上一节已经作了充分的分析，现在将各个部分组合起来，就形成了完整的LED驱动电路，如图8所示。

图8 LED驱动电路原理图

电路的具体工作工程为：

（1）220V交流输入，F1为保险丝，C1为高频滤波电容，它和电感L1一起为了使输入的正弦波频率变单一，起到过滤尖峰脉冲作用。

（2）然后经过整流桥整流和电解电容C2滤波后得到大约300Vde直流电。

（3）后面是由63813控制的开关变压器。芯片前面的几个二极管、电容和电阻的作用是通过分压和稳压来给芯片提供一个较稳定的启动电压，芯片发出的脉冲波控制Q1对300V直流进行斩波。然后经过后续高压变压器进行降压，继续给芯片提供一个控制电压。

（4）输出后的电源经过C5滤波后得到一个高压正弦波交流电，之后经过几个的电阻的分压，得到需要的电压来驱动LED。

（5）Y1是一个光电耦合器，作用是从输出端取一个反馈信号回到63813，提供一个PWM调节信息，控制占空比，以保证输出地稳定。

4 LED驱动方案的实现

利用Protel 99SE软件（计算机电路辅助设计软件）将电路板的原理图绘制出来，将所需的原理图元件编辑好，将LED驱动的原理图绘制好，连接好各个器件，注意接地部分，并且要封装正确，生成好网络表文件。

印制电路板的制作（PCB板的制作），规划好电路板，再导入生成的网络表和元件封装库，再将元件进行合理的布局，用布线命令进行自动布线，使用手动布线进行调整。完成PCB的制作，如图9所示。

图9 LED驱动印制电路板

其3D效果图如图10所示：

图10 LED驱动印制电路板3D效果图

在进行元器件的焊接工作之后，分别进行实验图像采集，首先进行输入波形的测量，发现正弦波的峰值被削去；然后进行整流输出的波形测量，观察发现形成了单方性的全波脉动波形；当交流电通过整流后变为单方性的直流电后，再由场效应管进行斩波的测量，发现开关电源通过控制占空比，进行直流斩波，当减小占空比时，斩波的输出电压也随之减小；最后进行驱动电路输出波形的测量，从实验波形图可以看出：输出的波形先是稳定的，之后经过一段调整期，再继续稳定输出。出现这种情况的原因是：光耦将采集的电流反馈给开关电源IC，开关电源通过对占空比的调节对输出的波形进行控制，使输出的波形继续稳定输出。

5 结语

本文的主要工作是为LED光源设计一个驱动。该驱动是以开关电源63813为核心，利用时间比率控制（Time Ratio Control）的方法来控制稳压输出的，其开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。工作原理是将220V交流电通过LC滤波电路和桥式整流电路输出300V的直流电压，用二极管、电容、电阻进行分压稳压给芯片提供一个启动电压，让芯片发出控制脉冲，控制供应场效应管对300V直流进行斩波，再通过后续变压器进行降压，给芯片VDD提供10V电压。最后输出的电压经再经过电容滤波，得到一个类似于正弦交流电驱动

LED。光耦再从输出端去一个反馈信号回到63813，以保证输出的稳定。实现了LED的自动调节，使输出电压趋于稳定，保证了LED节能照明光源的稳定工作。

[1]毛兴武,张艳雯,周建军,祝大卫,编著．新一代绿色光源LED及应用技术[M]．北京:人民邮电出版社,2008,8．

[2]沙占友,王彦明,马洪涛,李玮．开关电源优化设计[M]．北京:中国电力出版社,2009,10．